СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2013 года по МПК G01S13/88 

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и, более точно, к способам и системам для обнаружения на расстоянии объектов различной природы, которые могут быть скрыты от наблюдателя оптически непрозрачными преградами, а также для визуального наблюдения за этими объектами.

Обнаруживаемыми объектами могут быть живые существа (люди, животные) и неодушевленные предметы, выполненные из металла, дерева, пластмассы, других физических материалов и их комбинаций. В частности, это могут быть металлические предметы, например оружие, спрятанное в вещах, или другие металлические предметы, представляющие угрозу. В процессе обнаружения этих объектов они могут быть неподвижными или могут перемещаться.

Оптически непрозрачными преградами могут быть вещи, одежда, любые материалы, стены, завалы и т.п. Преграды могут быть влажными.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в самых различных областях применения. В частности, оно может быть использовано в охранных комплексах, аэропортах, на стадионах и других местах скопления людей для обнаружения оружия, скрытого в одежде или вещах, а также для визуального наблюдения за людьми, скрывающими его. Однако сфера применения предлагаемого изобретения гораздо шире. Так, оно может быть использовано для обнаружения вибрирующих объектов и измерения уровня их вибрации, а также для обнаружения человека, находящегося под завалами, по изменению положения поверхности его грудной клетки при дыхании.

Уровень техники

Предлагаемые способ и система для обнаружения объектов относятся к способам и устройствам, основанным на отражении электромагнитных волн (класс МПК G01S 13).

Известны способ и система для дистанционного обнаружения металлических предметов, например оружия, описанные в патенте США №US 6,720,905 от 2002 г. по классу США 342.22. В этом патенте они названы способом и системой для обнаружения замаскированного оружия, а также способом и системой для обнаружения угрозы.

Способ по этому патенту заключается в том, что сканируют электромагнитным излучением контролируемое пространство, в котором могут находиться металлические предметы, представляющие потенциальную угрозу, и определяют наличие этих предметов при превышении заданного порога выходным сигналом приемника отраженного сигнала. Система по этому патенту содержит узел сканирования электромагнитным излучением некоторого контролируемого пространства, в котором могут находиться металлические предметы, представляющие потенциальную угрозу, а также соединенный с этим узлом приемник отраженного сигнала, дисплей, видеокамеру и соединенный с ними процессор, в котором обеспечена фиксация обнаружения металлического предмета при превышении заданного порога выходным сигналом указанного приемника.

В этой системе узел сканирования выполнен в виде радара с линзовой антенной, сканирование которой обеспечивается за счет механического перемещения. Хотя в указанном патенте структура радара не раскрыта, очевидно, что он, как всякий радар, содержит также электронный передающий тракт, соединенный с названной антенной, и приемник отраженного сигнала, соединенный с процессором. В этой системе сигнал обнаружения металлического предмета формируется, если амплитуда выходного сигнала приемника отраженного сигнала превышает некоторый заданный порог. Этот порог может вычисляться, либо задаваться пользователем (оператором).

Эти способ и система имеют следующие недостатки.

Два недостатка зависят от использования в них импульсного или непрерывного электромагнитного излучения. Если используется импульсное излучение, то это затрудняет обнаружение металлических предметов на небольшом расстоянии (менее 4 м) из-за малого времени (менее 10 пс) распространения электромагнитной волны на таком расстоянии и еще меньшей длительности отраженного сигнала. Если же используется непрерывное излучение, то примененное в радаре, входящем в прототип системы, амплитудное детектирование немодулированного или амплитудномодулированного отраженного сигнала и фиксация обнаружения металлических предметов по превышению заданного порога амплитудой выходного сигнала свидетельствует о том, что прототип способа и прототип системы имеют низкую помехоустойчивость при обнаружении металлических предметов.

Еще один недостаток этих способа и системы состоит в том, что они не различают металлические предметы, представляющие потенциальную угрозу, и металлические предметы, которые не представляют потенциальной угрозы и стационарно находятся в секторе сканирования, например решетки ограждения.

Недостатки этой системы заключаются также в низкой скорости сканирования и в недостаточной надежности линзовой антенны из-за ее механического перемещения для изменения направления излучения (диаграммы направленности).

Известны также способы и системы обнаружения объектов, основанные на излучении сверхширокополосного импульсного (зондирующего) сигнала в одном или нескольких направлениях, приеме и обработке отраженных сигналов (см. патент России №2384860 от 2009 г., МПК G01S 13/04, «Способ обнаружения людей и движущихся объектов за преградой и устройство для его осуществления»). В этих способе и устройстве дополнительно излучают непрерывный монохроматический сигнал в направлении зоны поиска для того, чтобы затем в результате обработки отраженного сигнала определить, содержатся ли в нем частоты, соответствующие дыханию человека. Способ и устройство по этому патенту имеют следующие недостатки:

- не способны различить металлические и неметаллические предметы, так как отраженный сигнал поступает от большой площади отражения, что не дает возможность определить от какого предмета этот сигнал поступил;

- требуют большого времени обнаружения объекта (более 1 секунды, реально - от 2-х до 10-ти секунд) из-за большой длительности математической обработки отраженного сигнала, производимой для определения наличия в нем частот, соответствующих дыханию человека;

- имеют низкую точность определения координат объекта из-за широкой диаграммы направленности антенн, входящих в состав устройства обнаружения объектов, и отсутствия сканирования пространства по большому количеству (более 1000) точек наблюдения, необходимому для обеспечения высокой точности определения;

- имеют низкую достоверность различения объектов разного размера из-за широкой диаграммы направленности антенн, входящих в состав устройства обнаружения объектов, и отсутствия сканирования пространства по большому количеству (более 1000) точек наблюдения, необходимому для обеспечения высокой достоверности различения размеров объекта;

- не позволяют оперативно просматривать контролируемое пространство, поскольку используют фиксированные направления излучения.

Прототипами предлагаемых способа и системы являются способ и система для дистанционного обнаружения металлических предметов, описанные в патенте России №2.327.189 от 2006 г. (опубл. в 2008 г.), МПК G01S 13/88, «Способ и система для дистанционного обнаружения металлических предметов, например оружия» и в идентичном ему патенте США тех же авторов US 7,683,822 от 2007 г. (опубл. в 2010 г.), пат. класс США 342/22, «Method and System for Remotely Detecting Metall Items».

Прототип способа заключается в том, что сканируют электромагнитным излучением контролируемое пространство, в котором могут находиться металлические предметы, представляющие потенциальную угрозу, и осуществляют следующие действия:

- в качестве электромагнитного излучения используют непрерывный частотномодулированный сверхвысокочастотный сигнал;

- в начальный период сканирования, когда в секторе сканирования не допускается нахождение металлических предметов, представляющих потенциальную угрозу, запоминают в процессоре коды амплитуды выходных сигналов приемника отраженного сигнала для всех направлений излучения;

- фиксируют в процессоре обнаружение металлических предметов, представляющих потенциальную угрозу, в последующих периодах сканирования, если при каком-либо направлении излучения выполняется одно из двух условий сравнения:

А_i>A₀+Δ или А_i<A₀-Δ,

где А_i - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в любом последующем, после начального, периоде сканирования при каком-либо направлении излучения;

A₀ - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в начальном периоде сканирования при том же направлении излучения, при котором получен код амплитуды А_i;

Δ>0 - допуск отклонения кода амплитуды A₀, учитывающий допустимые изменения отраженного сигнала.

Прототип системы содержит узел сканирования электромагнитным излучением контролируемого пространства, в котором могут находиться металлические предметы, представляющие потенциальную угрозу, а также соединенный с этим узлом приемник отраженного сигнала, дисплей, видеокамеру и соединенный с ними процессор. Узел сканирования выполнен в виде фазированной антенной решетки, излучающей непрерывный частотномодулированный сверхвысокочастотный сигнал, управляющие входы этой решетки соединены с выходами процессора, а в процессоре обеспечены запоминание кодов амплитуды выходных сигналов приемника отраженного сигнала для всех направлений излучения в начальный период сканирования, когда в секторе сканирования не допускается нахождение металлических предметов, представляющих потенциальную угрозу, и фиксация обнаружения этих предметов в последующих периодах сканирования, если при каком-либо направлении излучения выполняется одно из двух условий сравнения:

А_i>A₀+Δ или А_i<A₀-Δ,

где А_i - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в любом последующем, после начального, периоде сканирования при каком-либо направлении излучения;

A₀ - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в начальном периоде сканирования при том же направлении излучения, при котором получен код амплитуды А_i;

Δ>0 - допуск отклонения кода амплитуды A₀, учитывающий допустимые изменения отраженного сигнала (этот допуск может задаваться пользователем (оператором) по аналогии с тем, как задается порог в прототипе).

По сравнению со способом и системой, описанными в рассмотренном патенте США 6,720,905, прототипы предлагаемых способа и системы обеспечивают помехоустойчивость при обнаружении металлических предметов, позволяют не фиксировать обнаружение металлических предметов, которые стационарно находятся в секторе сканирования и не представляют угрозы, позволяют расширить диапазон допустимых расстояний от предлагаемой системы до обнаруживаемых объектов, а также увеличить скорость сканирования и надежность системы.

По сравнению со способом и устройством, описанными в упомянутом патенте России №2384860, прототипы предлагаемых способа и системы позволяют обнаруживать металлические предметы, обеспечивают автоматическое сканирование всего контролируемого пространства, существенно (примерно в 100 раз) меньшее время обнаружения объекта (0,02 секунды), значительно большую точность определения координат объекта и высокую достоверность различения объектов разного размера за счет сканирования контролируемого пространства по большому количеству (более 1000) точек наблюдения, но не позволяет обнаруживать людей, скрытых оптически непрозрачной преградой.

Однако прототип способа и прототип системы имеют следующие недостатки.

Одним из этих недостатков является недостаточная помехоустойчивость, не позволяющая обнаруживать неметаллические объекты, в том числе живые существа, а также любые объекты сквозь влажные преграды.

Другой их недостаток состоит в достаточно высоком уровне шумов, затрудняющем работу пользователя (оператора) и снижающим достоверность результатов обнаружения.

Существенный недостаток прототипа способа и прототипа системы заключается также в недостаточно большой дальности обнаружения (до 5 метров), что не позволяет использовать их во многих областях применения.

Раскрытие (сущность) изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является разработка основанных на отражении электромагнитных волн таких способа и системы для дистанционного обнаружения объектов, которые по сравнению с прототипом обеспечили бы технический результат в виде одновременного достижения следующих целей:

- обеспечения возможности обнаружения объектов различной природы, которые могут быть скрыты оптически непрозрачными преградами (в том числе влажными), в частности обнаружения металлических предметов, обнаружение живых существ, например обнаружения человека, находящегося под завалом;

- увеличение чувствительности приемника отраженного сигнала;

- увеличения дальности обнаружения объектов;

- повышения помехоустойчивости при обнаружении объектов;

- повышения достоверности результатов обнаружения объектов;

- снижения уровня шумов, облегчающего работу оператора.

Достижение указанных целей позволяет расширить сферу применения предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом.

Этот технический результат достигается благодаря предлагаемому способу дистанционного обнаружения объектов, при котором сканируют непрерывным частотномодулированным сверхвысокочастотным сигналом контролируемое пространство, в котором могут находиться обнаруживаемые объекты, определяют наличие этих объектов по выходному сигналу приемника отраженного сигнала и фиксируют их обнаружение в процессоре, запоминают в процессоре коды амплитуды выходных сигналов приемника отраженного сигнала для всех направлений излучения в начальный период сканирования и при этом осуществляют следующие действия:

в приемнике отраженного сигнала принимают отраженный сигнал одновременно по нескольким приемным трактам, в каждом из которых смещают фазу непрерывного частотномодулированного сигнала на величину, соответствующую этому приемному тракту, и демодулируют усиленный отраженный сигнал посредством перемножения его с указанным непрерывным частотномодулированным сигналом со смещенной фазой, после чего формируют выходной сигнал приемника отраженного сигнала путем суммирования выходных сигналов всех указанных приемных трактов и затем фиксируют в процессоре обнаружение объектов в периодах сканирования, следующих после начального периода сканирования, если при каком-либо направлении излучения выполняется одно из двух условий сравнения:

(А_i+А_i-1)/2>А₀+Δ или (A_i+A_i-1)/2<A₀-Δ,

где i - порядковый номер периода сканирования кроме начального периода (i=1, 2, …);

A_i - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в любом последующем, после начального, i-ом периоде сканирования при каком-либо направлении излучения;

A_i-1 - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в (i-1)-ом периоде сканирования при том же направлении излучения, в котором получен код А_i;

A₀ - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в начальном периоде сканирования при том же направлении излучения, в котором получен код А_i;

Δ>0 - допуск отклонения кода A₀, учитывающий допустимые изменения отраженного сигнала.

Получению этого технического результата способствует то, что устанавливают рабочую частоту непрерывного частотномодулированного сверхвысокочастотного сигнала в диапазоне от 2550 до 2650 МГц.

Этот же технический результат достигается благодаря тому, что в предлагаемой системе для дистанционного обнаружения объектов, содержащей узел сканирования непрерывным частотномодулированным сигналом контролируемого пространства, в котором могут находиться обнаруживаемые объекты, выполненный в виде передающей фазированной антенной решетки, а также соединенный с этим узлом приемник отраженного сигнала, дисплей, видеокамеру и соединенный с ними процессор, в котором обеспечены запоминание кодов амплитуды выходных сигналов приемника отраженного сигнала для всех направлений излучения в начальный период сканирования и фиксация обнаружения этих объектов в последующих периодах сканирования, предусмотрено следующее:

приемник отраженного сигнала выполнен в виде приемной фазированной антенной решетки, представляющей несколько независимых приемных трактов, и аналого-цифрового преобразователя, у которого выход соединен с информационным входом процессора, а вход соединен с выходами всех указанных приемных трактов, каждый из которых содержит гетеродинную приемную структуру со смесителем и регулятор фазы, выход которого соединен с гетеродинным входом смесителя, причем управляющие входы гетеродинной приемной структуры каждого из указанных трактов соединены с выходами процессора, и при этом в процессоре обеспечена фиксация обнаружения объектов в периодах сканирования, следующих после начального периода сканирования, если при каком-либо направлении излучения выполняется одно из двух условий сравнения:

(А_i+А_i-1)/2>А₀+Δ или (A_i+A_i-1)/2<A₀-Δ,

где i - порядковый номер периода сканирования кроме начального периода (i=1, 2, …);

А_i - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в любом последующем, после начального, i-ом периоде сканирования при каком-либо направлении излучения;

A_i-1 - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в (i-1)-ом периоде сканирования при том же направлении излучения, в котором получен код А_i;

A₀ - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в начальном периоде сканирования при том же направлении излучения, в котором получен код А_i;

Δ>0 - допуск отклонения кода A₀, учитывающий допустимые изменения отраженного сигнала.

Технический результат достигается также благодаря тому, что в предлагаемой системе передающие и приемные антенны, входящие соответственно в передающие и приемные фазированные антенные решетки, имеют разную (противоположную) поляризацию. Например, если передающие антенны имеют вертикальную поляризацию, то необходимо, чтобы приемные антенны имели горизонтальную поляризацию.

Получению этого технического результата способствует то, что в предлагаемой системе в передающей и приемной фазированных антенных решетках использована рабочая частота непрерывного частотномодулированного сверхвысокочастотного сигнала в диапазоне от 2550 до 2650 МГц.

Получение технического результата в предлагаемых способе и системе обусловлено следующим.

В предлагаемых способе и системе обеспечение возможности обнаружения объектов различной природы, которые могут быть скрыты оптически непрозрачными преградами, в том числе обнаружения металлических предметов и живых существ, достигается за счет повышения помехоустойчивости при обнаружении объектов при одновременном повышения чувствительности приемника отраженного сигнала.

Повышение помехоустойчивости при обнаружении объектов и снижение уровня шумов на экране дисплея достигается в предлагаемых способе и системе тем, что в них в условиях сравнения, от результата которых зависит фиксация обнаружения объекта, используется код усредненной величины А_i,ср выходного сигнала приемника отраженного сигнала:

A_i,cp=(A_i+A_i-1)/2,

где все величины определены выше.

Повышение чувствительности приемника отраженного сигнала и увеличение дальности обнаружения объекта достигается тем, что в предлагаемом способе в приемнике отраженного сигнала принимают отраженный сигнал одновременно по нескольким приемным трактам, в каждом из которых смещают фазу непрерывного частотномодулированного сигнала на величину, соответствующую этому приемному тракту, и демодулируют усиленный отраженный сигнал посредством перемножения его с указанным непрерывным частотномодулированным сигналом со смещенной фазой, после чего формируют выходной сигнал приемника отраженного сигнала путем суммирования выходных сигналов всех указанных приемных трактов, и тем, что в предлагаемой системе приемник отраженного сигнала выполнен в виде приемной фазированной антенной решетки, представляющей несколько независимых приемных трактов, и аналого-цифрового преобразователя, у которого выход соединен с информационным входом процессора, а вход соединен с выходами всех указанных приемных трактов, каждый из которых содержит гетеродинную приемную структуру со смесителем и регулятор фазы, выход которого соединен с гетеродинным входом смесителя, причем управляющие входы гетеродинной приемной структуры каждого из указанных трактов соединены с выходами процессора.

В прототипе использовался один приемный тракт с чувствительностью 5 мкВ, а в предлагаемой системе используются несколько приемных трактов с той же чувствительностью каждый. За счет сложения полезного сигнала на их объединенном выходе общая чувствительность приемника отраженного сигнала, т.е. чувствительность системы, увеличилась примерно пропорционально количеству приемных трактов.

Увеличение чувствительности системы и использование разной поляризации передающих и приемных антенн позволило увеличить дальность обнаружения до 15-ти метров, в то время как в прототипе она была до 5-ти метров.

В предлагаемых способе и системе повышение достоверности результатов обнаружения объектов достигается за счет повышения помехоустойчивости при обнаружении объектов, а облегчение работы пользователя (оператора) достигается благодаря снижению уровня помех на экране дисплея.

Выбор диапазона рабочей частоты излучаемого непрерывного частотномодулированного сверхвысокочастотного сигнала в диапазоне от 2550 до 2650 МГц в предлагаемых способе и системе способствует получению технического результата, поскольку позволяет получить следующие преимущества:

- обеспечивает возможность работы сквозь преграды с повышенной влажностью;

- позволяет использовать компактные фазированные антенные решетки, поскольку для эффективной их работы расстояние между антеннами зависит от рабочей частоты излучаемого сигнала и должно быть не меньше, чем ½ длины рабочей волны;

- позволяет использовать минимальные размеры передающих и приемных антенн, обусловленные выбранным диапазоном рабочих частот излучаемого сигнала.

Краткое описание чертежей

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемой системы.

Осуществление изобретения

Описание предлагаемой системы

Предлагаемая система содержит передающую фазированную антенную решетку 1, излучающую непрерывный частотномодулированный сверхвысокочастотный сигнал, приемник 2 отраженного сигнала, процессор 3, дисплей 4 и видеокамеру 5.

Передающая фазированная антенная решетка 1 содержит модулирующий генератор 6, СВЧ-генератор 7, вход которого соединен с выходом генератора 6, и набор модулей 8 передающей фазированной антенной решетки 1.

Генератор 6 служит для формирования модулирующего сигнала, а СВЧ-генератор 7 - для формирования непрерывного частотномодулированного сверхвысокочастотного сигнала.

Каждый модуль 8 передающей фазированной антенной решетки 1 состоит из двухвходового регулятора 9 фазы (называемого также фазовращателем), двухвходового передающего усилителя 10 и соединенной с его выходом передающей антенны 11. Первые входы всех регуляторов 9 объединены и являются общим входом всех модулей 8, который соединен с выходом СВЧ-генератора 7. Первый вход передающего усилителя 10 служит для подачи сигнала с выхода регулятора 9.

Второй вход регулятора 9 служит для регулирования фазы, а второй вход передающего усилителя 10 служит для регулирования усиления. Указанные вторые входы регулятора 9 фазы и передающего усилителя 10 всех модулей 8 являются управляющими входами передающей фазированной антенной решетки 1, которые соединены с выходами процессора 3.

Конструктивно передающие антенны 11 расположены на равном расстоянии одна от другой в плоскости, перпендикулярной осевому направлению излучения. Для формирования остронаправленного (или, иначе говоря, узконаправленного) электромагнитного излучения и изменения его направления минимальное количество модулей 8 в фазированной антенной решетке 1 равно четырем.

Приемник 2 отраженного сигнала выполнен в виде приемной фазированной антенной решетки, которую будем также обозначать номером 2. Приемная фазированная антенная решетка 2 содержит набор модулей 12 и установленный на объединенном выходе этих модулей 12 аналого-цифровой преобразователь 13, выход которого соединен с информационным входом процессора 3.

Каждый модуль 12 представляет независимый приемный тракт и, следовательно, приемная фазированная антенная решетка 2 представляет несколько независимых приемных трактов.

Каждый модуль 12 содержит приемную антенну 14, соединенную с ней последовательную гетеродинную структуру, состоящую из двухвходового антенного усилителя 15, двухвходового смесителя 16, фильтра 17, усилителя 18, и двухвходового регулятора 19 фазы. Выход регулятора 19 фазы соединен с гетеродинным входом смесителя 16.

Первые входы регуляторов 19 фазы всех модулей 12 соединены с выходом СВЧ-генератора 7.

Второй вход регулятора 19 фазы служит для регулирования фазы, а второй вход антенного усилителя 15 служит для регулирования коэффициента усиления. Указанные вторые входы регулятора 19 фазы и антенного усилителя 15 являются управляющими входами приемной фазированной антенной решетки 2, или, иначе говоря, приемника 2 отраженного сигнала.

Конструктивно приемные антенны 14 в приемной фазированной антенной решетке 2 (т.е. в приемнике 2), расположены на равном расстоянии одна от другой в плоскости, перпендикулярной осевому направлению излучения. Для формирования остронаправленной (или, иначе говоря, узконаправленной) диаграммы приема отраженного излучения и изменения ее направления минимальное количество модулей в приемной фазированной антенной решетке равно четырем.

Передающие антенны 11 и приемные антенны 14, входящие соответственно в передающие и приемные фазированные антенные решетки 1 и 2, имеют разную (противоположную) поляризацию. Например, если передающие антенны 11 имеют вертикальную поляризацию, то приемные антенны 14 имеют горизонтальную поляризацию.

Дисплей 4 соединен с выходом процессора 3, а видеокамера 5 - со входом процессора 3.

Процессор 3 обеспечивает выполнение следующих функций:

- формирование сигналов управления регуляторами 9 фазы и передающими усилителями 10 для обеспечения сканирования некоторого контролируемого пространства остронаправленным излучением передающей фазированной антенной решетки 1;

- формирование сигналов управления антенными усилителями 14 и регуляторами 19 фазы для обеспечения сканирования некоторого контролируемого пространства остронаправленной диаграммой приема отраженного излучения приемной фазированной антенной решетки 2;

- фиксацию обнаружения объекта, который может представлять интерес, и фиксацию направления излучения, в котором обнаружен этот объект;

- формирование координат местоположения обнаруженного объекта, определяемых направлением излучения, в котором этот объект обнаружен;

- прием видеоизображения сектора сканирования от видеокамеры 5;

- совмещение на экране дисплея 4 видеоизображения сектора сканирования и координат местоположения обнаруженного объекта.

В процессоре 3 обеспечено запоминание кодов амплитуды А₀ выходных сигналов приемника 2 для всех направлений излучения в начальный (0-й) период сканирования. Ниже будет показано, что эти коды будут использованы при последующих обнаружениях объектов.

В процессоре 3 обеспечена фиксация обнаружения объектов в периодах сканирования, следующих после начального периода сканирования, если при каком-либо направлении излучения выполняется одно из двух условий сравнения:

или

где i - порядковый номер периода сканирования, кроме начального периода (i=1, 2, …);

A_i - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в любом последующем, после начального, i-ом периоде сканирования при каком-либо направлении излучения;

A_i-1 - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в (i-1)-ом периоде сканирования при том же направлении излучения, в котором получен код А_i;

A₀ - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в начальном периоде сканирования при том же направлении излучения, в котором получен код А_i;

Δ>0 - допуск отклонения кода A₀, учитывающий допустимые изменения отраженного сигнала (этот допуск может задаваться пользователем (оператором)).

Условия (1) и (2) обусловлены непрерывностью излучения фазированной антенной решетки 1. Условие (1) выполняется, если в каком-либо направлении излучения фаза отраженного сигнала в 0-м периоде сканирования совпадает с фазой отраженного сигнала в i-м (i>0) периоде сканирования. Условие (2) выполняется, если в каком-либо направлении излучения фаза отраженного сигнала в 0-м периоде сканирования противоположна фазе отраженного сигнала в i-м (i>0) периоде сканирования.

Описание работы предлагаемой системы

Предлагаемая система работает следующим образом.

Передающая фазированная антенная решетка 1 формирует остронаправленное электромагнитное излучение, которым она сканирует некоторое пространство, называемое пространственным сектором сканирования или просто сектором сканирования, либо сценой. В секторе сканирования располагаются объекты, которые могут представлять интерес для пользователя (оператора), а также объекты, не представляющие интереса для пользователя. К таким объектам, например, могут относиться металлические решетки ограждения. Необходимое для сканирования изменение направления остронаправленного электромагнитного излучения в секторе сканирования производится по управляющим сигналам процессора 3, подаваемым на управляющие входы передающей фазированной антенной решетки 1, а именно на вторые входы регуляторов 9 фазы и передающих усилителей 10 всех модулей 8.

Модулирующий генератор 6 формирует сигнал, который модулирует выходной сигнал СВЧ-генератора 7. Непрерывный частотномодулированный сверхвысокочастотный выходной сигнал СВЧ-генератора 7 поступает на входы всех модулей 8 передающей фазированной антенной решетки 1. В каждом модуле 8 фаза этого сигнала регулируется регулятором 9, а амплитуда - усилителем 10. Сигнал с выхода усилителя 10 в каждом модуле 8 излучается передающей антенной 11. Излучаемые антеннами 11 электромагнитные волны суммируются в секторе сканирования и образуют остронаправленное излучение, направление которого может быть изменено за счет изменения фазы выходного сигнала СВЧ-генератора 7 в регуляторах 9 фазы.

При нахождении объекта в секторе сканирования электромагнитное излучение отражается от этого объекта, и отраженный сигнал принимается приемником 2 (т.е., приемной фазированной решеткой 2). В приемнике 2 отраженный сигнал выделяется приемными антеннами 14 во всех модулях 12 и усиливается антенными усилителями 15.

Управляемые процессором 3 регуляторы 19 фазы смещают фазу непрерывного частотномодулированного сигнала СВЧ-генератора 7 индивидуально для каждого модуля 12 на величину, задаваемую процессором 3 для каждого приемного тракта, т.е. для каждого модуля 12, и подают непрерывный частотномодулированный сигнал со смещенной фазой на смесители 16 в своих модулях 12. Это смещение фазы производят для изменения направления приема отраженного излучения, соответствующего диаграмме приема отраженного сигнала.

Далее, в каждом модуле 12 выходной сигнал антенного усилителя 15 демодулируется в смесителе 16 посредством перемножения его с непрерывным частотномодулированным сигналом со смещенной фазой, подаваемым регулятором 19 фазы.

Демодулированный сигнал на выходе смесителя 16 фильтруется фильтром 17 и усиливается до требуемого уровня усилителем 17.

На объединенном выходе всех приемных трактов, т.е. на входе аналого-цифрового преобразователя 13 формируется аналоговый выходной сигнал приемника 2 путем суммирования выходных сигналов усилителей 18 всех модулей 12. Этот выходной аналоговый сигнал приемника 2 преобразуется в аналого-цифровом преобразователе 13 в цифровой код. Этот код подается в процессор 3, который производит его обработку, как будет показано ниже.

Сканирование контролируемого пространства передающей фазированной антенной решеткой 1 производится периодами, в каждом из которых остронаправленное излучение подается по всем направлениям излучения по одному разу. Аналогичным образом сканирование контролируемого пространства приемной фазированной антенной решеткой 2 производится такими же периодами, в каждом из которых отраженное излучение, соответствующее остронаправленной диаграмме приема, принимается по всем направлениям излучения по одному разу. Каждому направлению излучения передающей фазированной антенной решетки 1 соответствует одинаковое с ним направление отраженного излучения, принимаемого приемной фазированной антенной решеткой 2.

Перед началом работы предлагаемой системы в пространственном секторе сканирования могут находиться объекты, как представляющие интерес, так и не представляющие интереса для пользователя. Если эти объекты будут оставаться неподвижными, то, как будет показано ниже, они не будут обнаружены предлагаемой системой. Это обстоятельство может быть использовано для того, чтобы не обнаруживать объекты, не представляющими интереса. Для этого перед началом работы предлагаемой системы в пространственном секторе сканирования оставляются только неподвижные объекты, стационарно в нем находящиеся и не представляющие интереса для пользователя. Такими объектами могут быть, например, металлические решетки ограждения.

В начальном (или, иначе говоря, нулевом) периоде сканирования коды амплитуды A₀ выходных сигналов приемника 2, полученные в каждом направлении излучения, запоминаются в памяти процессора 3.

В последующих i-x (i>0) периодах сканирования процессор 3 сравнивает коды амплитуды выходных сигналов А_i с полученным ранее кодом амплитуды A₀ для каждого направления излучения и фиксирует обнаружение объекта, если выполняется одно из приведенных выше условий (1) или (2).

Если для какого-либо направления излучения выполняется одно из условий (1) или (2), то процессор 3 формирует координаты местоположения обнаруженного объекта, определяемые этим направлением излучения.

Если ни одно из условий (1) и (2) не выполняется, то считается, что объект, представляющий интерес в направлении излучения, не появился. При этом возможно, что код амплитуды A₀ соответствует неподвижному объекту, стационарно находящемуся в секторе сканирования и не представляющему интереса. Если этот объект переместится в последующие периоды сканирования, то он будет обнаружен, так как выполнится одно из приведенных выше условий (1) или (2).

Из видеокамеры 5 видеоизображение всего сектора сканирования передается в процессор 3. Он совмещает это видеоизображение с координатами местоположения обнаруженного объекта, определяемыми направлением излучения, в котором обнаружен этот объект, и передает совмещенную картину на дисплей 4. В результате на экране дисплея 4 наблюдается совмещенное видеоизображение сектора сканирования и координат местоположения обнаруженного объекта.

Изобретение относится к способам и системам для дистанционного обнаружения объектов разной природы, от металлических предметов, например оружия, до живых существ, которые могут быть скрыты непрозрачными преградами. Система содержит фазированную антенную решетку, излучающую непрерывный частотно-модулированный СВЧ-сигнал и сканирующую контролируемое пространство, приемник отраженного сигнала, выполненный в виде фазированной антенной решетки, процессор, дисплей и видеокамеру. Процессор обнаруживает объект, представляющий интерес, если выполняется одно из двух условий: (A_i+A_i-1)/2>A₀+Δ или (A_i+A_i-1)/2<A₀-Δ, где i - порядковый номер периода сканирования, кроме начального периода (i=1, 2, …); A_i - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в любом последующем, после начального, i-ом периоде сканирования при каком-либо направлении излучения; A_i-1 - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в (i-1)-ом периоде сканирования при том же направлении излучения, в котором получен код A_i; А₀ - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в начальном периоде сканирования при том же направлении излучения, в котором получен код A_i; Δ>0 - допуск отклонения кода А₀. Достигаемый технический результат: расширение сферы применения, увеличение помехоустойчивости, достоверности, чувствительности, дальности обнаружения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ дистанционного обнаружения объектов, при котором сканируют непрерывным частотно-модулированным сверхвысокочастотным сигналом контролируемое пространство, в котором могут находиться обнаруживаемые объекты, определяют наличие этих объектов по выходному сигналу приемника отраженного сигнала и фиксируют их обнаружение в процессоре, в начальный период сканирования запоминают в процессоре коды амплитуды выходных сигналов приемника отраженного сигнала для всех направлений излучения, отличающийся тем, что в приемнике отраженного сигнала принимают отраженный сигнал одновременно по нескольким приемным трактам, в каждом из которых смещают фазу непрерывного частотно-модулированного сигнала на величину, соответствующую этому приемному тракту, и демодулируют усиленный отраженный сигнал посредством перемножения его с указанным непрерывным частотно-модулированным сигналом со смещенной фазой, после чего формируют выходной сигнал приемника отраженного сигнала путем суммирования выходных сигналов всех указанных приемных трактов и затем фиксируют в процессоре обнаружение объектов в периодах сканирования, следующих после начального периода сканирования, если при каком-либо направлении излучения выполняется одно из двух условий сравнения:
(А_i+А_i-1)/2>А₀+Δ или (А_i+А_i-1)/2<А₀-Δ,
где i - порядковый номер периода сканирования кроме начального периода (i=1, 2, …);
А_i - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в любом последующем, после начального, i-ом периоде сканирования при каком-либо направлении излучения;
A_i-1 - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в (i-1)-ом периоде сканирования при том же направлении излучения, в котором получен код A_i;
А₀ - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в начальном периоде сканирования при том же направлении излучения, в котором получен код A_i;
Δ>0 - допуск отклонения кода А₀, учитывающий допустимые изменения отраженного сигнала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют поляризацию принятого отраженного сигнала, противоположную поляризации сигнала, которым сканируют контролируемое пространство.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что устанавливают рабочую частоту непрерывного частотно-модулированного сверхвысокочастотного сигнала в диапазоне от 2550 до 2650 МГц.

4. Система для дистанционного обнаружения объектов, содержащая узел сканирования непрерывным частотно-модулированным сигналом контролируемого пространства, в котором могут находиться обнаруживаемые объекты, выполненный в виде передающей фазированной антенной решетки, приемник отраженного сигнала, процессор, дисплей, соединенный с выходом указанного процессора, и видеокамеру, соединенную со входом этого процессора, причем передающая фазированная антенная решетка включает в себя СВЧ-генератор, задающий сигнал сканирования, и модули, каждый из которых включает в себя передающую антенну, входы этих модулей и вход приемника отраженного сигнала, служащие для передачи сигнала сканирования, соединены с выходом СВЧ-генератора, управляющие входы этих модулей соединены с выходами процессора, а в процессоре обеспечены запоминание кодов амплитуды выходных сигналов приемника отраженного сигнала для всех направлений излучения в начальный период сканирования и фиксация обнаружения этих объектов в последующих периодах сканирования, отличающаяся тем, что приемник отраженного сигнала выполнен в виде приемной фазированной антенной решетки, представляющей несколько независимых приемных трактов, и аналого-цифрового преобразователя, у которого выход соединен с информационным входом процессора, а вход соединен с выходами всех указанных приемных трактов для суммирования их выходных сигналов, причем каждый из приемных трактов состоит из двухвходового регулятора фазы, приемной антенны и соединенной с ней гетеродинной структуры, содержащей последовательно соединенные антенный усилитель с управляющим входом, двухвходовый смеситель, первый вход которого соединен с выходом антенного усилителя, фильтр и выходной усилитель, выход регулятора фазы соединен со вторым входом смесителя, первый вход регулятора фазы каждого из указанных трактов соединен с выходом СВЧ-генератора, входящего в передающую фазированную антенную решетку, а второй вход регулятора фазы и управляющий вход антенного усилителя каждого из указанных трактов соединены с выходами процессора, и при этом в процессоре обеспечена фиксация обнаружения объектов в периодах сканирования, следующих после начального периода сканирования, если при каком-либо направлении излучения выполняется одно из двух условий сравнения:
(A_i+A_i-1)/2>A₀+Δ или (А_i+А_i-1)/2<А₀-Δ,
где i - порядковый номер периода сканирования, кроме начального периода (i=1, 2, …);
A_i - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в любом последующем, после начального, i-ом периоде сканирования при каком-либо направлении излучения;
A_i-1 - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в (i-1)-ом периоде сканирования при том же направлении излучения, в котором получен код A_i;
А₀ - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в начальном периоде сканирования при том же направлении излучения, в котором получен код A_i;
Δ>0 - допуск отклонения кода А₀, учитывающий допустимые изменения отраженного сигнала.

5. Система по п.3, отличающаяся тем, что передающие и приемные антенны, входящие соответственно в передающие и приемные фазированные антенные решетки, имеют противоположную поляризацию.

6. Система по п.3, отличающаяся тем, что в СВЧ-генераторе использована рабочая частота непрерывного частотно-модулированного сверхвысокочастотного сигнала в диапазоне от 2550 до 2650 МГц.